1. Предложенная в задаче солнечная батарея является действующей и предложена в статье Gur I., Fromer N.A., Geier M.L., Alivisatos A.P. Air-Stable All-Inorganic Nanocrystal Solar Cells Processed from Solution // Science 310, 462-465 (2005). Механизм работы солнечной батареи на квантовых точках относится к так называемому донорно-акцепторному типу, когда на энергетической диаграмме нижний незаполненный уровень донорной молекулы (или квантоворазмерный уровень в зоне проводимости квантовой точки CdTe) лежит выше по энергии (относительно вакуума) по отношению к соответсвующему уровню акцепторной молекулы (квантовой точки CdSe). Для верхнего заполненного уровня (или квантоворазменого уровня в валентной зоне) ситуация обратная. (рис.1)

ФотоЭДС будет возникать за счет разного энергетического положения соответствующих квантоворазмерных уровней для зоны проводимости или для валентной зоны квантовых точек CdTe и CdSe. Для объемных CdTe и CdSe сродство к электрону, определяющее положение края зоны проводимости, равно 4.2 и 4.8 эВ соответственно. Разное энергетическое положение уровней приведет к пространственному разделению фотовозбужденных носителей заряда. Необходимо отметить отличие от стандартных солнечных батарей на полупроводниковых p-n переходах, в которых есть встроенное электрическое поле в области p-n перехода. В рассмотренной батарее на квантовых точках такого поля изначально нет.

Фотовозбужденные электроны будут переходить в слой квантовых точек CdSe, где они имеют меньшую энергию, фотовозбужденные дырки – в слой CdTe. Соответственно за транспорт электронов будет отвечать слой квантовых точек CdSe, за транспорт дырок – слой CdTe.

Другими материалами могут быть полупроводники с различным сродством к электрону, которое определяет разность энергий квантоворазмерных уровней в зоне проводимости. Разрыв краев зон в зоне проводимости должен иметь такой же знак. Вообще говоря, это полупроводниковые пары, относящиеся к так называемому типу II гетеропереходов. (рис.2)

Например, CdS-CdTe (сродство к электрону 4.7 и 4.2 эВ), CdS-ZnSe (4.7 и 4.0 эВ).

2. Для создания солнечных батарей привлекательны следующие свойства коллоидных квантовых точек: возможность контроля эффективной ширины запрещенной зоны, т.е. возможность подстройки спектральных характеристик квантовых точек при варьировании размера под требуемые длины волн; высокая фотостабильность, свойственная неорганическим материалам; растворимость с образованием золей, что позволяет легко манипулировать квантовыми точками. В работах Климова из Лос-Аламоса указывается также возможность мультипликации фотовозбужденных электрон-дырочных пар в квантовых точках, т.е. когда 1 фотон с высокой энергией рождает более 1 электрон-дырочной пары.

Стабилизатор пассивирует поверхностные дефекты в квантовых точек, препятствует их агрегации и делает квантовые точки растворимыми. Как правило стабилизаторы – это длинноцепочечные органические молекулы, одним концом привязанные к поверхности квантовой точки, например, олеиновая кислота, триоктилфосфиноксид.

Для солнечной батареи стабилизатор должен быть корткоцепочечным, чтобы обеспечить минимальное расстояние между квантовыми точками в слое, и обеспечить возможность транспорта электронов и дырок по прыжковому межанизму. Например, пиридин, бутиламин.

3. Длину волны максимума излучения солнца можно расчитать по формуле Вина для излучения абсолютно черного тела l(мкм) = 2898/Т(К) – 0.483 мкм = 483 нм, что несколько отличается от реального максимума 560 нм (можно принять решения и тех кто даст расчеты для 560 нм!). Энергия фотона с длиной волны 483 нм при этом равна 2.56 эВ. (рис.3)

В идеальном случае случае эффективная ширина запрещенной зоны для квантовой определяется формулой для потенциальной ямы для электрона и дырки по соотношению (1) или (2)

где me, mh – эффективные массы электрона и дырки, Eg- ширина запрещенной зоны объемного материала, R – радиус квантовой точки.

Для приведенных значений ширин запрещенной зоны и эффективных масс получаем

для CdSe (3) , таким образом R(CdSe)= 2.2 нм

для CdTe (4), таким образом R(CdTe)= 1.9 нм

4. Другой принципиальной схемой батареи на квантовых точках может быть, например, так называемая солнечная батарея Гратцеля. Майкл Гратцель в 1991 г. предложил наносить органический сенсибилизатор на пористый слой оксидного полупроводника диоксида титана. Поглощенный фотон рождает электрон и дырку в молекуле сенсибилизатора, электрон переходит в слой диоксида титана, дырка может сниматься либо за счет электрохимической реакции с использованием электролита, либо переходить, например в дырочно-проводящий слой на основе органических полимеров. В качестве фотосенсибилизатора можно использовать квантовые точки. Схема приведена на рисунке. (рис.4)